长链非编码RNA在肌少-骨质疏松症中调控作用的展望

张迪 刘静 刘兰英 黄驰欢 郭志杰 韦理钰 许华宁 季发权 徐道明

南京中医药大学附属医院,江苏 南京 210029

肌肉和骨骼均起源于间充质干细胞,在位置上相毗邻,并通过力学作用和化学作用等途径及相似的分子信号通路在功能上交互串扰,协同完成站立、行走及运动[1]。机体在25岁时肌肉和骨骼的质量达到峰值,而30岁以后肌骨系统的机能慢慢下降[2]。其中肌肉代谢异常所致的肌少症(sarcopenia,SP)[3]和骨骼代谢异常所致的骨质疏松症(osteoporosis,OP)[4]是老年人中群最常见的两类慢性肌骨疾病,肌骨共病形成肌少-骨质疏松症(osteosarcopenia,OS)[5]。长链非编码RNA(long non-codingRNA,lncRNA)是一类长度超过200个核苷酸的RNA分子[6],可以在表观遗传、转录及转录后等多个水平参与基因表达,从而调节包括肌少症和骨质疏松症在内的多种疾病[7-8]。因此,本文就lncRNAs在肌少-骨质疏松症中的最新发现及调控作用作一综述,并探讨未来通过lncRNAs诊治肌少-骨质疏松症的巨大潜力。

1 肌少-骨质疏松症与长链非编码RNA

最近一份全球疾病负担数据的统计表明,世界范围内患有肌肉骨骼疾病的人数高达17.1亿人[9],且随着人口增长和老龄化的快速发展,此人数仍在迅速增加。肌骨系统疾病成为全球残疾的主要原因之一,也是全球康复服务需求最大的健康问题,肌骨共病逐渐成为老年医学的研究热点。其中,老年人肌肉质量减少、肌肉力量下降和(或)躯体功能减退形成肌少症;老年人骨量降低,骨组织微结构被破坏形成骨质疏松症。肌少症与骨质疏松症并存则被诊断为肌少-骨质疏松症。近年来,越来越多的研究表明肌肉含量与骨密度成正相关[10],肌少症和骨质疏松症往往同时发生且互相影响[11]。樊洁等[12]分析了甘肃省东乡族成人骨量-肌量变化规律,发现骨量异常组肌少症前期检出率(男性75.0 %,女性57.1 %)远高于骨量正常组(男性25.0 %,女性42.9 %),提示低骨量可能是肌少症发生的潜在风险因子。另有研究指出,四肢骨骼肌肉量每增加一个单位,机体患有骨量减少或骨质疏松症的风险便下降37 %[13]。这些结果共同提示肌少-骨质疏松症是肌肉和骨骼相互影响的结果——肌量下降将引起并加速骨矿的丢失,而骨骼强度降低也将促使肌肉形态的萎缩和功能的衰退。

长链非编码RNA又称lncRNA,是一类长度超过200个核苷酸的非蛋白质编码RNA[14]。在研究之初,因其大部分缺乏编码蛋白质的能力,故很少被作为研究的主要焦点[15]。然而,随着遗传学的深入研究,lncRNAs在生物体基因层面的调控作用引起了人们的广泛关注。其大多表达于细胞核和细胞质中,能够折叠成复杂的二级结构,参与转录、剪接、翻译、组蛋白修饰、染色质重塑等多种生物学过程[16]。最近,多项研究分析表明,lncRNAs在成骨、破骨、肌生成及肌萎缩中均发挥重要调控作用[17-19],增加了对肌少-骨质疏松症发病机制的理解,为肌骨系统的研究提供了新思路。下面对lncRNAs在肌少-骨质疏松症中的调控作用进行详细阐述。

2 长链非编码RNA在骨质疏松症中的调控作用

骨骼的完整性依赖于骨形成和骨吸收之间的动态平衡,这一过程也被称为骨重建。成年期骨重建平衡,使正常的骨量得以维持;此后随年龄增加,骨吸收/骨形成比值升高,骨重建失衡,导致骨量逐渐流失[20]。因此,对骨形成和骨吸收的调控已成为对抗骨质疏松症的有效策略。

2.1 lncRNAs能调控骨形成

成骨细胞是骨重塑单位内参与骨形成的重要细胞,其分化能力及活性与OP的发生发展密切相关[21]。有研究显示,lncRNAs能直接调控成骨细胞分化以参与骨形成。在新生小鼠前成骨细胞样细胞测得的18 d RNA-Seq数据集显示,有3 948个lncRNAs在成骨细胞分化过程中发生了动态变化,同时鉴定出72个成骨细胞分化相关标志物基因,证明lncRNAs可能参与成骨细胞的分化过程[22]。lncRNA-MALAT1是一种编码于人类染色体11q13.1上的高度保守RNA,其在OP患者中的表达显著低于健康人。Song等[23]研究发现lncRNA-MALAT1海绵miR-217使其沉默,并激活下游靶点AKT3促进成骨分化,miR-217沉默效应打破则逆转这一现象。mTOR是对骨骼功能维持至关重要的一种保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,激活mTOR信号可促进骨形成[24]。Wang等[25]通过卵巢切除术(OVX)构建绝经后骨质疏松症模型(PMOP),发现lncRNA -KCNQ1OT1过表达上调了OVX小鼠股骨中的mTOR表达,同时增强了成骨相关基因胶原蛋白-1(Col-1)、相关转录因子2(RUNX2)和骨钙素(OCN)的表达以促进成骨细胞分化,上调lncRNA -KCNQ1OT1可缓解OVX小鼠模型中的PMOP。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)是一种能分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞等的多能性基质细胞,其成骨分化能力的高低在骨重塑中至关重要[26]。lncRNA-TUG1是位于染色体22q12.2上的牛磺酸上调基因1,可通过AMPK-mTOR自噬信号通路促进BMSCs分化为成骨细胞,阻断上述通路可阻断lncRNA-TUG1在BMSCs中的成骨作用[27]。另外,lncRNAs也能发挥对骨形成的负调控作用。脂多糖(LPS)是促使OP发生的因素之一,有研究显示lncRNA-TMC3-AS1在OP患者中高表达,并通过下调miR-708表达增加LPS诱导的成骨细胞凋亡,加速了OP的进展[28]。Song等[29]首次发现lncRNA-GAS5在BMSCs中下调,并通过降解miR-382-3p以负调节BMSCs的成骨分化。综上,lncRNAs可通过相关基因和通路以直接或间接作用方式调控骨形成。因此,深入研究lncRNAs在成骨方面的作用将有助于开发靶向治疗OP的方法。

2.2 lncRNAs能调控骨吸收

破骨细胞是人体内唯一的骨吸收细胞,破骨细胞的过度激活将导致并加重骨质疏松症[30]。通过比较小鼠骨髓源性前体细胞与分化破骨细胞的总RNA转录组,Toor等[31]在破骨细胞的早期分化过程中鉴定出35个潜在的新lncRNAs表达上调,37个lncRNAs表达下调,表明lncRNAs在破骨细胞分化过程中发挥重要作用。lncRNA-HOTAIRM 1在人和小鼠OP的血清和骨组织中下调,Ren等[32]通过进一步研究发现过表达lncRNA-HOTAIRM 1能够降低破骨标志物相关基因Nfatc1和Mmp9的表达,并减弱由RANKL诱导的破骨细胞形成。活化T细胞核因子5(NFAT5)是一种渗透保护性转录因子,可以结合骨保护蛋白(OPG)的启动子区域,抑制RANKL诱导的破骨分化[33]。Zhang等[34]发现lncRNA-KCNQ1OT1通过海绵miR-128-3p可以显著上调NFAT5,同时抑制破骨相关标志物c-Fos、NFATc1和Ctsk等表达,进而抑制骨吸收过程。此外,lncRNAs也可通过促进体内破骨细胞形成过程以减少骨量。Zhang等[35]首次发现了lncRNA-NEAT1位点与OP风险关联的遗传机制,lncRNA-NEAT1过表达加速破骨细胞形成增加OP发生风险,敲低该因子则减弱骨吸收过程。NEK2是一种丝/苏氨酸蛋白激酶,近年来被发现在骨破坏中起关键作用[36]。lncRNA-SNHG15在RANKL诱导的破骨细胞中表达增加,在机制上通过海绵miR-2-381p上调NEK2表达以促进破骨细胞的增殖、迁移和分化[37]。总之,这些对破骨细胞有调控作用的lncRNAs可能代表了OP治疗的突破,但目前这方面的研究还比较少,仍需作进一步的研究以阐明其在骨吸收中的具体机制。

3 长链非编码RNA在肌少症中的调控作用

骨骼肌是人体维持运动、姿势以及体内平衡的关键器官。随着年龄的增长,进行性生理变化使骨骼肌稳态被打破,肌肉成分的降解与合成失衡,肌肉萎缩导致老年人肌肉质量和力量降低[38]。一些研究报告了在骨骼肌中与年龄相关lncRNAs的差异表达,发现lncRNAs可通过控制肌肉肥大或萎缩参与肌少症的调节[39]。

3.1 lncRNAs能调控肌生成

骨骼肌的形成过程是由多种功能性因子协同作用的复杂过程,其中卫星细胞增殖,随后分化的成肌细胞融合为成熟的肌管,最终形成肌纤维成为骨骼肌组织[40]。Chang等[41]发现了一种新型肌肉特异性lncRNA——FAM,它在早期人类肌生成过程中强劲增加。lncRNA-FAM过表达可增强肌源蛋白MYBPC2的产生,从而促进人成肌细胞向肌管分化,沉默lncRNA-FAM则显着延迟肌生成。Wnt5a是调控肌肉发生的关键分子,Zhang等[42]发现lncRNA-MAR1可通过海绵miR-487b调节Wnt5a蛋白以促进肌肉分化和再生,过表达lncRNA-MAR1增强了衰老小鼠的肌肉质量/力量,提示lncRNA-MAR1未来可能成为肌少症新的治疗靶点。MAPK信号通路在成肌细胞的增殖中发挥了重要作用,lncRNA-Has2可通过此通路促进骨骼肌再生与分化,敲低Has2os显着阻断肌生成,这一高度保守的lncRNA被认为是调节骨骼肌稳态的关键基因[43]。此外,lncRNAs还能负调节肌肉的生成,例如过表达lncRNA-Chronos可通过灭活BMP 7信号传导抑制肌生成,从而加剧肌肉萎缩和肌少症[44]。因此,深入探索lncRNAs在肌生成过程中的调控网络机制有助于确定治疗肌少症的分子靶点。

3.2 lncRNAs能调控肌萎缩

lncRNAs在肌肉分化过程中发挥双向调控作用,既可调控肌肉的生成与分化,也可参与肌萎缩的发生发展[45]。Jin等[46]将lncRNA-SYISL确定为可以调节肌少症的一种保守lncRNA,其可与miRNA结合,进而增强肌肉萎缩相关基因MuRF1、Atrogin-1和FoxO3a的表达来加速肌肉萎缩,敲低或敲除lncRNA-SYISL可减轻衰老小鼠引发的肌少症。Cai等[47]鉴定出一种名为SMUL的新型肌肉萎缩相关lncRNA,lncRNA-SMUL通过激活蛋白酶体降解和自噬途径来上调肌肉萎缩标志基因ATROGIN1和MURF1,以促进肌萎缩。与之相反,lncRNAs还能通过不同的途径抑制肌萎缩。Li等[48]将lncRNA-MAAT作为一种肌肉萎缩的调节因子,从机制上,lncRNA-MAAT通过顺式与跨式作用调控下游及邻近基因表达,从而缓解衰老引起的肌萎缩,有望成为治疗肌少症的新途径。IGF1-PI3K/AKT通路是控制肌肉肥大的关键细胞内信号传导机制,有研究发现lncRNA-IRS1通过激活此通路下调关键萎缩诱导基因Atrogin-1和MuRF3,可作为肌肉萎缩的治疗靶点[49]。目前,越来越多的lncRNAs被鉴定出与肌肉萎缩密切相关,为进一步理解骨骼肌生物学和肌少症的发病机制提供了新的见解。

4 长链非编码RNA在肌少-骨质疏松症中的调控作用

随着对肌骨系统疾病交互的关注,不断有研究整合SP和OP的发病机制,lncRNAs有望成为二者统一的治疗靶点。Chai等[50]成功建立老年肌少症联合骨质疏松症模型,通过分析OVX大鼠股骨和股四头肌的RNA序列,发现分别有13个lncRNAs(8个上调,5个下调)、17个lncRNAs(9个上调,8个下调)发生差异性表达,并且lncRNA-LNC_004549和lncRNA-ENSRNOT00000090777被预测同时参与骨骼肌和骨骼的分化,为肌少-骨质疏松症的发病机制提供新见解。另有研究显示,成骨细胞来源的外泌体中lncRNA-TUG1水平升高,同时增强了成肌细胞的分化,而lncRNA-DANCR水平降低,并同时抑制了这一成肌过程[51]。这与先前的研究表明lncRNA-TUG1促进成骨分化,而lncRNA-DANCR通过Wnt/β-连环蛋白途径抑制成骨分化结果相一致[52-53],同样提示了lncRNAs可能在骨骼和肌肉之间的相互作用中发挥潜在作用。lnc-MIR22HG在BMSCs的成骨分化过程中上调,Li等[54]最新研究表明成肌细胞来源的外泌体相关同源盒2(Prrx2)可结合lnc-MIR22HG的启动子区域,从而促进其转录激活以抑制OVX诱导的小鼠体内骨质疏松症,为治疗肌少-骨质疏松症提供了新途径。Ruan等[55]在年轻(4～6个月)和老年(22～24个月)小鼠的骨骼肌中发现,lncRNA-MALAT1的表达随着年龄增长显著降低,lncRNA-MALAT1沉默可增加miR-34a表达进一步驱动骨骼肌衰老,并由此引发肌少症。lncRNA-MALAT1在OP中的关键作用先前已得到证实,因此,该因子有望成为未来对抗肌少-骨质疏松症的关键因子。lncRNA-DLEU2在OP患者中高表达,随着研究的深入,Wang等[56]成功建立肌少症风险预测模型,发现lncRNA-DLEU2可海绵miR-181抑制骨骼肌的再生和分化,lncRNA-DLEU2高表达同样被认为是老年人肌少症的危险因素之一。尽管目前构建肌少-骨质疏松症模型分析lncRNAs的研究还处于探索阶段,但在肌少-骨质疏松症中具有共同治疗作用的lncRNAs已经展现了其诊治肌少-骨质疏松症的巨大潜力,从而进一步揭示肌骨之间交互串扰的潜在机制。因此,深入研究lncRNAs与肌少-骨质疏松症的关系仍将是未来的主题。

5 总结与展望

肌肉和骨骼共同组成肌骨系统,在生理上互相协助,病理上互相影响。本科研团队经过长期临床观察发现,大部分骨质疏松症患者都伴有肌肉质量的下降[57],肌少-骨质疏松症概念的提出有利于人们进一步思考肌骨交互作用的本质。自lncRNAs首次被证明在哺乳动物中存在以来,其越来越被认为是具有许多生物学功能的关键调控分子。在骨质疏松症中lncRNAs能通过相关基因及通路调控骨形成和骨吸收,从而调节OP患者中失衡的骨稳态;在肌少症中lncRNAs能通过竞争性结合miRNAs等多种途径参与肌生成和肌萎缩,以调节骨骼肌的生长发育。

将肌肉和骨骼单元视为一个整体,lncRNAs展现了未来诊治肌少-骨质疏松症的巨大潜力。同一种lncRNA可以同时参与肌肉和骨骼的分化,以挥发对肌少-骨质疏松症的调控作用,而不同的lncRNAs也可以通过肌骨间共同的信号通路发挥调控作用。例如上述提到的AMPK信号通路、BMP信号通路、MAPK信号通路、IGF1/PI3K/AKT信号通路等,在改善骨量和肌肉质量等方面的作用已被证实,因此,可以假设靶向lncRNAs以通过其中的一条通路发挥对肌少-骨质疏松症的调控作用。此外,黄宏兴团队[58]应用去势联合腹腔注射DXM法已能够建立稳定的肌少-骨质疏松症大鼠模型,这也提示了未来进一步探索lncRNAs在肌少-骨质疏松症中作用机制的可能性。

综上,lncRNAs对未来肌少-骨质疏松症的研究具有深刻意义,有望成为进一步探索肌肉和骨骼间相互作用的潜在标志物。但现有的研究也存在一定的不足,比如目前大多研究聚焦在动物实验,使用老年人骨骼及肌肉样本进行lncRNAs分析的比较少,故如何在临床上应用lncRNAs诊治肌少-骨质疏松症仍需要作进一步的突破。